軸向壓力導(dǎo)致18650電池失效的機(jī)理研究

　　隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰離子電池由于能量密度高、無記憶效應(yīng)和安全性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的用于動力電池領(lǐng)域。由于電動汽車的特殊性，因此對動力電池的安全性也提出更高的要求。

　　例如在電動汽車發(fā)生碰撞等安全事故時(shí)，需要動力電池不起火、不爆炸，保證駕乘人員的安全性，因此在動力電池安全試實(shí)驗(yàn)中就包含了擠壓、針刺等涉及到在極端濫用情況下鋰離子電池安全性能的測試，能否通過這些嚴(yán)苛的安全試驗(yàn)，是評價(jià)一款鋰離子電池安全性的終極標(biāo)準(zhǔn)。

　　在擠壓試驗(yàn)中，鋰離子電池首先是外殼發(fā)生變形，然后開始對電芯形成擠壓，由于目前干法拉伸工藝制備的隔膜在橫向和對角線方向上強(qiáng)度較低，因此在電芯變形達(dá)到一定程度時(shí)，隔膜的橫向會首先發(fā)生斷裂，導(dǎo)致鋰離子電池的正負(fù)極直接接觸，發(fā)生短路，瞬間釋放出大量的熱量，導(dǎo)致負(fù)極SEI膜、正極活性物質(zhì)和電解液發(fā)生分解反應(yīng)，導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控，最終導(dǎo)致鋰離子電池起火和爆炸。

　　為了避免鋰離子電池在擠壓試驗(yàn)中發(fā)生熱失控，提高鋰離子電池的安全性，就需要對鋰離子電池在擠壓試驗(yàn)中發(fā)生熱失控的機(jī)理，進(jìn)行深入的研究，從而對鋰離子電池進(jìn)行針對性的安全設(shè)計(jì)，從而提升鋰離子電池在擠壓試驗(yàn)中的安全性。下面我們就一起來看一下美國麻省理工學(xué)院的最新研究成果。

　　美國麻省理工學(xué)院的Juner Zhu等人利用18650電池研究了在發(fā)生軸向擠壓的過程中鋰離子電池的發(fā)生熱失控的機(jī)理，并利用有限元分析模型進(jìn)行了仿真分析，該模型還原了不同的軸向壓力對鋰離子電池造成的影響，分析結(jié)果得到了CT掃描的驗(yàn)證，該仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)了兩種可以解釋在擠壓試驗(yàn)中導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生短路原因。

　　由于在動力電池組中18650電池一般是采用垂直裝配的，在電池組發(fā)生跌落等情況下，軸向擠壓是造成鋰離子電池變形的主要原因，因此Juner Zhu主要研究了在軸向壓力下電池變形導(dǎo)致鋰離子電池短路的機(jī)理。

　　一些傳統(tǒng)的模型由于假設(shè)鋰離子電池內(nèi)部是一個(gè)均一的整體，因此在預(yù)測18650電池軸向壓縮試驗(yàn)的時(shí)候就無法準(zhǔn)確預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果，這主要是由于鋰離子電池電芯的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在電芯的上部和下部并不完全一致，同時(shí)由于鋰離子電池上蓋（也就是正極）獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得鋰離子電池在承受軸向壓力的時(shí)候，可能會在內(nèi)短路發(fā)生之前，就引起鋰離子電池發(fā)生短路。

　　18650電池主要由三部分組成：安全閥、卷芯和低碳鋼外殼。安全閥通常由正溫度系數(shù)材料、鋁安全閥和不銹鋼正極端子、氣體密封墊等組成，電芯由正極、負(fù)極和隔膜組成，在本試驗(yàn)中正極的活性物質(zhì)的成分為LiCoO2。軸向載荷的加載速度為5mm/min，所有的試驗(yàn)電池在試驗(yàn)之前都已經(jīng)完全放電（SOC=0）。

　　測試結(jié)果顯示，18650電池在軸向壓力測試中壓力呈現(xiàn)出緩慢上升——快速上升——輕微下降——快速上升的趨勢，而電壓測試顯示，18650電池在變形達(dá)到4mm的情況下才會發(fā)生失效，而且通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，18650電池的電壓突降主要是由于電池內(nèi)部短路造成的，而不是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷路。

　　為了研究18650在軸向壓力下失效的機(jī)理，Juner Zhu還利用有限元軟件對其進(jìn)行了分析，模型中的材料主要采用了彈塑性模型，并且考慮了各種材料的各向異性的特點(diǎn)，模型中包涵了上百萬的計(jì)算單元，軸向載荷的加載速度被設(shè)置為1m/s。仿真結(jié)果再現(xiàn)了在軸向載荷的情況下，18650電池變形的經(jīng)過。

　　首先電池的上蓋區(qū)域的殼體開始發(fā)生塑性變形，在變形程度超過1mm后，變形的外殼開始擠壓電池卷芯的上部，隨著變形程度的增加，電芯開始出現(xiàn)變形，從而在壓力曲線上出現(xiàn)了一個(gè)輕微的下降，然后隨著電池殼體與電芯的接觸面積的增加，使得壓力曲線呈現(xiàn)了一個(gè)快速上升的趨勢。CT掃描結(jié)果也很好的驗(yàn)證了上述分析，試驗(yàn)電池的變形主要發(fā)生在上部結(jié)構(gòu)中，電池下改幾乎沒有發(fā)生變形。

　　對試驗(yàn)后的18650電池進(jìn)行拆解顯示，雖然電芯發(fā)生了嚴(yán)重的變形，但是正負(fù)極并沒有發(fā)生斷裂，反而是隔膜在距離上部邊緣1.3mm的位置出現(xiàn)了一個(gè)裂縫，這直接導(dǎo)致了電池發(fā)生短路，電壓突降，而這一裂縫可能是由于金屬箔鋒利的邊緣侵入造成的。此外隔膜的在一些位置厚度出現(xiàn)了很大的下降，這主要是由于凹陷的外殼擠壓電芯造成的。

　　從上述分析結(jié)果來看，軸向壓力下導(dǎo)致18650電池短路的可能原因主要有以下幾點(diǎn)：

　　1. 外殼通過破裂的隔膜與正負(fù)極接觸

　　2. 正負(fù)極通過破裂的隔膜接觸

　　3. 正負(fù)極通過隔膜變薄的區(qū)域接觸

　　4. 安全閥被擠壓，與電芯接觸

　　從測試結(jié)果來看，當(dāng)18650電池軸向變形達(dá)到4mm時(shí)就會引發(fā)內(nèi)短路，因此需要在電池組安全設(shè)計(jì)的時(shí)候特別考慮。此外由于在軸向壓力時(shí)變形主要發(fā)生在18650電池的上部，因此對18650電池上部的安全設(shè)計(jì)也要特別在意。